JPS63200038A - 材料表面検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は材料表面の微弱な光吸収量変化の分布を定量的
に非接触かつ遠隔で検出する材料表面検査方法の改良に
関する。

〔従来の技術〕

高集積度の半導体素子等の製造においては、材料表面の
軽度な汚れや酸化膜厚の不均一性などが素子の不良の原
因となるのでこれを検出・計測する必要がある。

表面の軽度な汚れや酸化膜の不均一を計測するには、通
常のレーザ光散乱法などでは感度不足のため、高感度検
出法として光音響分光法などの各糧熱波計測法の開発が
進められている。しかしながら、これらのうち、マイク
ロフォン法光音響分光及び圧電素子法光音響分光はそれ
ぞれ試料室への試料装着及び試料への圧電素子接着が必
要となり、製造工程管理用の検査手段としては不適当で
ある。

一方、非接触・遠隔の計測手段としては、特開昭５９−
３４１３８号に記載のように励起光照射による試料表面
の熱変形をレーザ光の偏向として検出する手段や特開昭
６０−１５４２２４号に記載のように励起光照射点から
の赤外線を検出する手段があるが、前者は光軸調整が困
難であること、後者は雑音に弱くかつ比較的低感度であ
ることという問題がある。

そこで、励起光照射点近傍の雰囲気の屈折率変化を計測
する手法が、ジェー・シー・マーフィー他、ジャーナル
・オプ・アプライド・フィジックス、５４巻（１９８３
年）第５８３頁から５９１頁（Ｊ、Ｃ。

Ｍｕｒｐｈｙ　ｅｔ　ａｌ、Ｉ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｍ　＋Ｖｏ１．５４．
　ｐｐ５８３−５９１（１９８３））で提案された。

これは次のような計測方法である。強度変調された周期
性を有する励起用レーデ光を試料表面に照射する。する
と、試料表面は、清浄部、汚れ部、酸化膜部等、表面状
態で決まる光吸収率に応じて光吸収し、それによる発熱
により励起用レーデ光と同一周期で温度が変化する。こ
れに伴ない照射点近傍の雰囲気も同一周期で試料表面状
態に応じて温度が変化し、屈折率が変化する。この照射
点近傍に検出用レーザ光を通過させると、屈折率変化に
応じて検出用レーデ光は偏向される。この偏向された検
出用レーデ光をレーデ光検出器により検出する。この検
出信号の振幅は、偏向の程度すなわち照射点近傍の屈折
率変化に依存する。したがって、上記の検出信号の振幅
を測定することにより、試料表面の光吸収量を算出して
、試料表面状態を非接触で評価することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の励起光照射点近傍の雰囲気の屈折率変化を計測す
ることによる材料表面検査方法は、検出用レーデ光の光
軸高さく検出光の光軸と試料表面との距離）に検出信号
が大きく依存するという問題があり、測定の！′ｆ！１
度及び迅速性の面で実用化に適さなかった。

本発明の目的は、上記の励起光照射点近傍の雰囲気の屈
折率変化を測定することによる材料表面検査方法におい
て、屈折率変化に伴う検出用レーデ光の偏向量の光軸高
さ依存性を補正することによって、微弱な光吸収量を非
接触・遠隔かつ迅速計測可能にすることにある。

〔問題点を解決するための手段］ 本発明は、周期的な強度変調された励起光を材料表面に
照射し、材料表面の該励起光照射位置の直上近傍に材料
表面に沿って検出用元ビームを通過させ、上記励起光の
吸収による材料表面の周期的発熱に伴う材料表面近傍の
雰囲気の周期的な屈折率変化に起因する上記検出用光ビ
ームの周期的な偏向の振幅を計測して材料表面の光吸収
量を測定する材料表面検査方法において、上記励起光に
対する上記検出用光ビームの偏向の位相を計測し、該位
相の計測値から検出用光ビームと材料表面との距離（こ
れを元軸高さという）を求め、この求めた元軸高さに基
づき、検出用光ビームの偏向の撮暢の計測値の元軸高ζ
依存性を補正し、又は光軸高さを基準値に調整した後の
検出用光ビームの偏向を計測することによって、検出州
党ビームの偏向の振幅の計測値から光軸高さの変動の影
響を排除することを特徴とするものである。

〔作用〕

周期的強度変調された励起光が材料表面に照射これると
、材料表面の該照射部位は材料表面の光吸収率に応じて
光を吸収して周期的に発熱し、その熱は材料中および材
料表面と接する雰囲気中に伝わり、該雰囲気の温度、従
ってその屈折率は周期的に変化する。従って、材料表面
の励起光照射位置の直上近傍を通過する検出用ビームは
上記雰囲気の屈折率変化により周期的に偏向される。こ
の偏向の振幅は材料表面の光吸収量に依存すると共に、
検出ビームの光軸高さく検出ビームと材料表面との距離
）に依存する。

ま之上記雰囲気の温度変化、従って屈折率変化は励起光
の照射よりも遅れるために、検出用光ビームの周期的偏
向は励起光の周期的変化に対して成る位相（位相差）を
持ち、この位相は検出光ビームの光軸高さに依存する。

しかし、材料表面の検出対象（汚れや酸化膜）の厚さに
比較して、励起光の一周期中に材料中を熱が拡散する距
離（熱拡散長）が充分（１桁以上）長ければ、上記位相
は材料表面状態（光吸収量）に依存しない。（例えば励
起光の変調周波数がｌ　Ｑ　ｋＨｚのとき、材料がシリ
コンの場合には、熱拡散長は４１μｍであり、汚れや酸
化膜の厚さく一般に０．１μｍ以下）に比較して充分長
いので、位相はこれら材料表面状態の影響を受けない。

） 本発明は、この位相が検出光ビームの光軸高さによって
一義的に定まる事実を利用して、この位相を計測するこ
とによシ検出光ビームの光軸高さを求め、これに基づき
検出光ビームの偏向の振幅の計測値から検出光ビームの
光軸高さの影響を、補正計算又は光軸高さの基準値への
調整によって排除するのである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１図は実施例１に係る装置構成の概略図である。装置
は、励起用レーザ１、励起光変調器２、励起光走査鏡３
、屈折率変化検出用レーデ（以下検出用レーデと記す）
４、試料台５、位置検出器６、狭帯域アンｆ７、データ
処理装置ｔ８、及びコントローラ９、より構成される。

励起用レーデ１からの励起光１０は励起光変調器２によ
って強度変調される。変調の関数形は一般に正弦関数又
は矩形状である。変調された励起光１０は励起光走査鏡
３によシ試料１１上に照射される。検出用レーデ４から
の検出用レーデ光１２は、試料１１の励起光照射点の直
上の僅かに高い位ｆｉｔを横切り、位置検出器６に到達
する。検出用レーデ光１２の光軸高さ、すなわち、検出
用レーデ光１２・の光軸と試料１１表面との距離は、試
料の材質、形状、測定条件等ＫＥじて適切な値にあらか
じめ設定される。

強度変調された周期性のある励起光１０が試料１１表面
に照射されると、試料上の照射点の光吸収量等に応じて
、照射点は周期的に発熱する。すると、熱の一部は照射
点近傍の雰囲気に伝達され、周期的に近傍雰囲気の温度
が上昇し、屈折率が変化する。この近傍雰囲気に検出光
１２を通過させると、検出光は屈折率に応じて偏向され
る。したがって、検出光の偏向の程度に応じて位置検出
器６に到達する光量が変化し、位置検出器６の出力信号
は変化する。

位ｆｉ１検出器６の出力信号は、狭帯域アンプ７により
励起光変調周波数成分のみ取シ出されるように増幅され
る。この信号（検出信号）の振幅及び位相は第２図に示
すように、検出レーデ光１２の光軸高さに大きく影響さ
れる。このため、試′＃＋表面の微弱な光吸収量の差異
を検知するためには、試料移動等によって生ずるわずか
な光軸高さの変動の影響を取除く必要がある。

第３図は、検出信号の振幅及び位相と励起光の変調周波
数との関係に及ぼす試料表面の酸化膜厚さの影響を示す
グラフである。図中の黒丸、白丸はそれぞれ酸化膜厚さ
が２　Ｏｎｍ　ｅ　１００　ｎｍの試料についての測定
結果である。本図から酸化膜の浮さによらず位相はほぼ
同一の値とまることがわかる。これは、励起光の変調の
一周期の間に試料中を熱が拡散する距離（熱拡散長）が
酸化膜厚ζに比べ、十分に長い念めである。

以上のことから熱拡散長が検出対象の膜厚より十分長い
場合、検出信号の位相は、試料表面の状態に依存せず、
光軸高さのみの影響′！！−受ける。よって第２図の関
係から位相を使って光軸高さが一義的に求まる。そして
、ＳＩｌ＆の光軸高さ依存性と上記によって求めた光軸
高さから、検出信号の蛋暢の値を規準の光軸高さにおけ
る振幅に補正することができる。

振幅および位相の光軸高さ依存性は、雰囲気の種類（例
えば空気）と、試料の熱拡散長に主として寄与する試料
の材質（例えば半導体ならＳｌ）により決まる。したが
りて、一種類の部品の工程検査においては、一種類の振
幅および位相の光鋤高さ依存性データ（例えば空気−８
１系）が用意されていれば、振幅の補正は可能である。

上記補正計算はデータ処理装置８により短時間で行なわ
れる。

試料１１０表面上の光吸収量の分布計測は以下のように
行われる。まず励起光１０は励起光走査鏡３により、検
出レーザ光１２に沿って（すなわち第１図の紙面内で）
試料表面を走査する。走査鏡３はコントローラ９によっ
て制御される。励起光照射点の移動によって、同一の屈
折率変化でも位置検出器６上での偏向の振幅が変化する
が、これはデータ処理装置８で補正する。試料表面の一
次元走査が終了すると、試料台５を駆動して試料１１を
上記走査方向と垂直方向（すなわち、第１図の紙面に垂
直方向）に移動し、再び上記の励起光走査を行いながら
２元軸高さ依存性を補正された検出レーザ光偏向の振幅
データを取り込む。試料の移動方向は工程の流れの方向
に合致し、上記過程のくり返しにより一個の試料表面上
の光吸収量分布の計測が終了すれば、次の試料の検査に
移る。試料台５の駆動もコントローラ９によシ制御され
る。

以上述べたように、本実施例によれば、位相から光軸高
さを求めて振幅の光軸高さ依存性を補正計算することに
よう、試料表面の微弱な光吸収量の差異を検知できる。

実施例２ 本実施例２の装置構成の概略図を第４図に示す。

大部分は実施例１と同様であるが、本実施例では新たに
、検出レーデ元１２の光軸ｉ１１整に用いる光軸調整鏡
１３を有する。検出レーザ光１２の偏向の位相（検出信
号の位相）を計測し、これを一定の光軸高官に相当する
位相の基準値とデータ処理装置８によって比較し、該基
準値と一致するように光軸調整鏡１３をコントローラ９
で制御しながら移動、調整する。反射鏡１４は固定され
ている。

このための駆動源として圧電材料又は圧電材料とモータ
との組み合せを用いると１μｍ以下の精度で光軸調整が
可能である。試料表面の励起光二次元走査は前記実施例
と同様に行う。

以上、本実施例によれば、鏡を駆動して光軸高さを調整
するので、試料厚みが異なる試料が混在する工程の検査
手段として利用できる利点がある。

同−試料内では厚みが一様とすると、鏡の駆動量は、試
料厚みが変化した段階を除けば一般に微小であり、検査
時間の長大化を招く恐れはない。

同様な手法は試料の側を移動させても実施できる。すな
わち、試料台５に上下方向移動機構を付加し、これを、
コントローラ９で制御して位相が基準値と合致するよう
に調整しながら計測することにより振幅の光軸高さ依存
性に基く測定誤差を抑制できる。

実施例３ 、＠５図に本実施例３の装置構成を示す。本図は上面図
、すなわち、第１図を垂直方向から見た図であり、この
ため励起用レーザ等１部の図示は省略しであるが、側面
図は、検出レーザ光光路移動機構１５を除いて第１図と
同一の構成である。本実施例では励起光は励起光照射点
（第１図）により２次元走査される。励起光が検出レー
ザ光１２に沿っての１次元走査を終了し千これと垂直方
向に微小区間移動する際、これと同期して反射鏡１４を
光路移動機構１５により同一区間移動する。その後再び
、新たに設定された検出レーデ光光路に沿って励起光が
走査される。以上の操作のくり返しによシ試料表面が順
次走査される。上記手順により励起光照射点から位置検
出器までの距離が変化する。これに起因する位置検出器
面上の振幅の変化は、データ処理装置により容易に補正
できる。

以上述べたように、本実施例によれば、試料又は試料台
を動かζずに、試料表面の微弱な光吸収量分布を測定で
きる利点を有する。

実施例４ 本実施例４の装置構成は第６図に示すように実施例３と
如似しているが移動式プリズム１６を有する点が異カる
。本実施例では、光路移動機構１５により検出レーザ光
１２の光路を変えることによって生ずる光路長の変化を
移動式プリズム１６を移動することによって補償する。

このため、検出レーザ光１２の光路長は常に一定に保持
されるので、検出レーザ光光路移動に対する振幅補正計
算は不要になる。さらに、検出レーデ光１２に沿りた励
起光走査に応じた補償も行うと、照射点移動に起因する
補正は一切不要となる。

以上のように、本実施例によれば検出レーデ光光路長変
化を補償することにより、撮幅補正計算ｔを減少できる
利点を有する。

実施例５ 本実施例５の装置構成を第７図に示す。本実施例では励
起光１０及び検出レーデ光１２をそれぞれ単心光ファイ
バ１７により伝送し、試料１１の表面にプラグ１８に収
めた状態で導入する。励起光１０はレンズで試料表面上
に集光し、検出レーデ光１２はレンズで平行光束にした
後、！ラグ１８の内面の鏡により試料表面上を横切って
再び上方に反射される。この反射光はバンドルファイバ
１９で受光される。検出レーザ光１２の偏向によってバ
ンドルへの取り込み率が変化し、光強度検出器２０によ
り光強度として偏向量が検出ばれる。

以上述べたように本実施例によれば、光ファイバを利用
したプラグを用いることにより、材料の任意の箇所に上
記プラグを押しつけるだけで酸化膜厚等の情報を非破壊
で計測することができる利点がある。これは水中等の液
体中でも可能である。

半導体の工程検査と異なり、大きな構造体の検査に有効
である。例えば原子炉内構造物表面のクラッドは放射能
源であるが、この厚さを本手法で計測すること疋よシ、
炉内放射能量分布の正確な把掴を行うことに利用可能で
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、強度変調された励起光照射に伴う材料
表面近傍の雰囲気の屈折率変化に起因する検出用光ビー
ムの偏向の振幅及び位相を計測し、位相の計測値から検
出用光ビームの光軸高ζを求め、これを用いて、上記振
幅の計測値から検出用光ビームの光軸高さの変動による
影響を排除することが可能であるので、材料表面の光吸
収に一義的に対応した振幅情報を得ることができ、以て
、材料表面の微弱な元吸収量の変化を非接触・遠隔で正
確に計測することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１での装置構成を示す図、第２
図は検出用レーデ光の偏向の振幅及び位相の光軸高さ依
存性を示すグラフ、第３図は同じく酸化膜厚依存性を示
すグラフ、第４図、第５図、第６図、第７図は夫々本発
明の実施例２　、３　、４゜５における装置構成を示す
図である。 １・・・励起用レーザ、２・・・励起光変調器、３・・
・励起光走査鏡、４・・・検出用レーデ、５・・・試料
台、６・・・位置検出器、７・・・狭帯域プラグ、８・
・・データ処理装置、９・・・コントローラ、１０・・
・励起光、１１・・・試料、１２・・・検出レーデ光、
１３・・・光軸調整鏡、１−４・・・反射鏡、１５・・
・光路移動機構、１６・・・移動式プリズム、１７・・
・単心ファイバ、１８・・・プラグ、１９・・・バンド
ル・ファイバ、２０・・・光強度検出器。 光軸高さくｍ篤） 第３図 変調層ノ反！’２（Ｈｚ） 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周期的な強度変調された励起光を材料表面に照射し
   、材料表面の該励起光照射位置の直上近傍に材料表面に
   沿って検出用光ビームを通過させ、上記励起光の吸収に
   よる材料表面の周期的発熱に伴う材料表面近傍の雰囲気
   の周期的な屈折率変化に起因する上記検出用光ビームの
   周期的な偏向の振幅を計測して材料表面の光吸収量を測
   定する材料表面検査方法において、上記励起光に対する
   上記検出用光ビームの偏向の位相を計測し、該位相の計
   測値から検出用光ビームと材料表面との距離（これを光
   軸高さという）を求め、この求めた光軸高さに基づき、
   検出用光ビームの偏向の振幅の計測値の光軸高さ依存性
   を計算上補正し、又は光軸高さを基準値に調整した後の
   検出用光ビームの偏向を計測することによって、検出用
   光ビームの偏向の振幅の計測値から光軸高さの変動の影
   響を排除することを特徴とする材料表面検査方法。 ２、検出用光ビームが材料表面の励起光照射位置の直上
   近傍を通過する状態を保ちつつ、励起光照射位置を材料
   表面に亘って走査し、材料表面の光吸収量の２次元分布
   を計測する特許請求の範囲第１項記載の材料表面検査方
   法。